CN103519808A - 多通道微电极阵列及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道微电极阵列及其制作方法，针对现有的多通道微电极阵列存在的问题，通过模具内设置的若干个微米级通孔实现电极丝的精确排列，以排除各个通道的信号互相干扰的情况；模具内设置的通孔可以根据对多通道微电极阵列间距和通道数量的不同需要，相应地来变换其间距和通道数量，通孔的直径最小可满足100μm的电极丝穿入，通孔之间的最小间距可达250μm；电路板的线路可以根据电极丝直径大小的变化，相应地调整，实现与电极丝的很好的连接；本发明的制作方法降低了制作多通道微电极阵列的工艺复杂度，进而降低了制作工艺的成本，并且提高了阵列的排列精度。

Description

多通道微电极阵列及其制作方法

技术领域

本发明属于生物医学技术领域，具体涉及一种应用于神经工程系统中的多通道微电极阵列及其制作方法。

背景技术

神经工程系统是目前一个非常活跃且发展迅速的研究领域，比如脑机接口，神经假体等问题受到越来越多的关注，并且脑科学的快速发展也推动着相关科学研究仪器的快速发展。由于多通道微电极阵列（Multichannel-electrode array,MEA）具有记录点多、密度高、体积小、电极对神经细胞损伤小等特点，已成为生物学实验中主要的工具，特别是已成为在深入揭示神经系统工作机理、治疗神经疾病和神经康复等方面的必不可少的重要工具，在生物学及生物医学领域起着越来越大的作用，甚至在医学诊断、环境监测、康复治疗、反生物恐怖主义等领域也有着潜在的应用价值。

如今已经商品化、并被广泛应用的微电极阵列有两类，一类是美国犹他大学开发的针形微电极阵列，即Utah电极；另一类是美国密歇根大学开发的线性微电极阵列，即Michigan电极。二者均为美国公司专利保护产品。Utah电极采用整块硅片制作，在硅基底上用热迁移法形成多个硅通道，形成多个细针，产生正方形电极针阵列。电极针尖端的信号采集部位为铂金镀层，电极其余部分和底托均用聚酰亚胺涂层绝缘，这种电极的特点是记录点在电极针尖端绝缘层暴露处，位于同一个平面或斜面上，电极可记录的深度比较浅，深度不可自由控制。多用于记录大脑中枢神经系统浅表部位的神经电信号，也用于外周神经电刺激。

Michigan电极属于薄膜电极，与集成电路制造相似，采用微电子制造技术，在硅或陶瓷材料为基底的薄片上，按照设计好的电极线路，喷镀上导电金属；或者在整个覆盖有导电金属层的印制板上，蚀刻去除不需要的部分，留下需要的电极线路，导电金属可以是镍、不锈钢、钨、金或铂；除了记录点以外，在其余连接记录点和输出端的导电线路上覆盖绝缘层，常用的绝缘材料是氮化硅,为了增强导电性能和生物相容性，记录点表面镀上铱或金。Michigan电极记录点的排列方式一般是在一个记录杆上等间距线性排列一系列记录点，因此被称为线性电极阵列。

还有一种小池型的半导体多电极阵列，是在一个小池的底部制作高密度分布的测量点，一般只用于离体脑片或体外培养的神经细胞电信号检测，不能用于在体检测。

国内也有少数几家科研单位在制作多通道电极阵列，具体参考文献：“SunXiaona，Zhou Hongbo，Li Gang，etal．Fabrication of aflexible three-dimensional neuralmicroelectrode array．Optics and Precision Engineering，2008，16(8)：1396-1402”和“周洪波，李刚，金庆辉等．神经工程系统中的微电极技术[J]．微纳电子技术，2006，11(43)：535—540”。

虽然以上几种多通道微电极制作方法都取得了一定的效果，但是同时也存在许许多多的问题。Utah电极的缺点是：采用整块单晶硅为材料，工艺复杂，成本高；电极针密度很高，对大脑的损伤很大，入脑深度不能太深，一旦固定好位置，以后的实验过程中也不能移动，即一般只能记录某一浅层深度的细胞反应；为了减小植入过程中对于组织的损伤，一般使用气动冲击器将电极快速打人脑组织，需要较高的实验技能，否则很容易折损电极；虽然电极的强度很高，但不易清理，电极针损坏的几率也很大，使用次数有限。Michigan电极虽然较Utah电极便宜，但强度不如Utah电极，比较脆，容易被折断，大鼠这类小动物的硬脑膜也不能穿透；导电线路比较细，通常只作为记录电极使用；记录点排列在电极杆表面，电极在脑组织中行进时会损伤一些神经细胞，邻近记录点的神经细胞成活率低，因此，这类电极多用于场电位记录，而不适于单细胞水平的研究。由于国内制作多通道微电极阵列的方法费时费力，且尚不能批量生产，具体制作工艺也复杂，成品率极低，成功率也极低，电极阻抗和信噪比也很难达到统一标准。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的上述问题，提出了一种多通道微电极阵列。

本发明的技术方案为：一种多通道微电极阵列，具体包括：外部接口单元、电路板、模具和电极丝，其中，

所述电极丝用于从受体部位获取电生理信号或传递电信号至受体部位；

所述模具内设置成若干个微米级通孔用于插入所述电极丝使得所述电极丝连接至所述电路板的线路上，所述电极丝的个数等于所述通孔的个数，并与通孔一一对应；

所述电路板与外部接口单元相连接，用于将电极丝从受体部位获取的电生理信号传送至外部接口单元或者将外部接口单元待传送给电极丝的电信号传送至电极丝。

进一步的，所述电路板为双层电路板，每层电路板设有上下两部分焊盘，其中，每层电路板的上端共有10个焊盘，下端共有8个焊盘；上端的10个焊盘中，两边的2个焊盘供接地使用，所述电路板的上端焊盘和下端焊盘都均匀分布在电路板上，其中下端每个焊盘和对应的电极丝一一相连，上端焊盘和外部接口单元相连，且下端每个焊盘的宽度大于上端焊盘的宽度。

进一步的，所述电路板为双层电路板，焊盘均匀分布在电路板上，其中每层两边的两个焊盘供接地用，除去两边的两个焊盘外，其余焊盘的上端和外部接口单元相连，下端和直径大于150um的电极丝相连。

基于上述多通道微电极阵列，本发明还提出了一种多通道微电极阵列的制作方法，具体为：

根据设计要求，确定多通道微电极阵列的通道数；根据确定的通道数制作设置有微米级通孔的模具，以及根据电极丝的直径制作电路板；

将电极丝穿进模具内的通孔中，并按要求控制电极丝穿插进去的长度，模具内的通孔的排列控制电极丝的排列间距；

将模具通孔内穿插出的电极丝与电路板上的线路一一焊接到一起，实现电路板与电极丝的有效连接；

将外部接口单元与电路板对应焊接到一起，实现二者的有效连接。

本发明的有益效果：针对现有的多通道微电极阵列存在的问题，本发明的多通道微电极阵列及其制作方法具体通过模具内设置的若干个通孔实现电极丝的精确排列，以排除各个通道的信号互相干扰的情况；模具内设置的通孔可以根据对多通道微电极阵列间距和通道数量的不同需要，相应地来变换其间距和通道数量；电路板的线路可以根据电极丝直径大小的变化，相应地调整，实现与电极丝的很好的连接。本发明的制作方法降低了制作多通道微电极阵列的工艺复杂度，进而降低了制作工艺的成本，并且提高了阵列的排列精度。

附图说明

图1是本发明实施例中2*8通道微电极阵列结构示意图。

图2是本发明实施例中模具内的通孔结构示意图。

图3是本发明实施例中第一种电路板结构示意图。

图4是本发明实施例中第二种电路板结构示意图。

图5是本发明实施例中2*8通道微电极阵列封装后的示意图

图6具体实例采用本发明实施例中的微电极阵列做视觉电生理实验记录细胞活动的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施对本发明做进一步的阐述。

本发明以现代生物学和生理学为基础，利用微细加工的一些工艺，制作出多通道神经微电极阵列，本发明可广泛应用于深入揭示神经系统工作机理、治疗神经疾病和神经康复等方面。下面进行具体说明。

本发明实施例提供的多通道微电极阵列结构如图1所示，具体包括：外部接口单元A、电路板B、模具C和电极丝D，其中，

所述电极丝D用于从受体部位获取电生理信号或传递电信号至受体部位；

所述模具C内设置成若干个微米级通孔用于插入所述电极丝D使得所述电极丝D连接至所述电路板B的线路上，所述电极丝D的个数等于所述通孔的个数，并与通孔一一对应；

所述电路板B与外部接口单元A相连接，用于将电极丝从受体部位获取的电生理信号传送至外部接口单元A或者将外部接口单元A待传送给电极丝的电信号传送至电极丝。

电路板B，提供了电极丝D和外接信号处理系统的电路，它可以根据D的直径变化来做相应调整。电极丝D将采集到的信号，沿着电路板B和外部接口单元A到达外部的信号处理系统，或者外部信号沿着外部接口单元A和电路板B，再经电极丝D送至受体部位，给予受体刺激。

模具C内的通孔可以根据需要，调整成不同形状、不同大小、不同孔径、不同间距,如间距：250um、280um等，孔径100um、125um等，通道2*4、2*8等，具体如图2所示。

该模具是采用激光在石英板上打孔，该孔的直径由电极丝直径确定，例如采用直径75um的电极丝，则孔的直径则可以为100um（直径应大于80um），孔间距也可自由改动，根据实验要求可定制，例如本实施例中采用的是孔间距250um。本模具的尺寸、上下行间距、孔直径、孔间距，可根据实验定制要求作相应改动，较为灵活，这也是此种方法的优点。该模具可改为单行（排），多行（排）等，根据实验定制要求来制作。这里通孔的直径最小可满足100um的电极丝穿入，通孔之间的最小间距可达250um。

电极丝D是采集和传送信号的重要部件，可以根据需要选择不同材质的电极丝，如钨丝、不锈钢丝等。

这里的多通道微电极阵列还包括环氧胶E，用于将外部接口单元A、电路板B和模具C封装起来，封装尺寸与外部接口单元A对齐。环氧胶E是封装微电极阵列的重要材料，能减少外界干扰对电生理信号的影响。

图1的结构是以16通道微电极阵列为例进行说明的，外部接口单元A上端共有20个接口，电路板B共为双层一样的结构。

当电极丝D直径小于150um时采用如图3的电路板，上端较窄部分和A相连，一面共10个线路，其中两边的2条线路接地。其余8条和下面的线路相连。背面相同。电路板宽度尺寸和A基本相齐，下端8条较宽电路一端和上端8条较窄电路对应相连，一面共8条线路，下端8条较宽电路的另一端和8条电极丝D对应相连，下端较宽电路是上端电路尺寸放大，由于电极丝直径小于150um时，电极丝D和电路板不容易焊接，容易造成虚焊问题。为了解决此问题。下端8条较宽电路对尺寸进行放大，这样就使得电极丝D和电路板容易焊接，并且大大降低虚焊问题。

当电极丝直径大于150um时，采用如图4所示的电路板，该电路板线路宽度都一样，一面10条线路，其中上面的有2条（两边）是接地线路，没有和下面相连，电路板尺寸宽度和A相齐，采用这种电路原因：主要是因为电极丝直径大于150um时，较容易和电路板焊接，虚焊的情况较少，这种电路板结构简单，降低了加工印刷电路板的难度，从而降低了成本。

本实施例提供的微电极阵列的通道数量，电极丝直径，电极丝间距等参数也可以根据不同要求进行定制。

本实施里还提供了一种多通道微电极阵列的制作方法，具体为：

根据设计要求，确定多通道微电极阵列的通道数；根据确定的通道数制作设置有微米级通孔的模具C，以及根据电极丝D的直径制作电路板B；

将电极丝D穿进模具C内的通孔中，并按要求控制电极丝D穿插进去的长度，模具C内的通孔的排列控制电极丝的排列间距；

将模具C通孔内穿插出的电极丝与电路板B上的线路一一焊接到一起，实现电路板B与电极丝D的有效连接；

将外部接口单元A与电路板B对应焊接到一起，实现二者的有效连接。

上述方法还包括：利用环氧胶E，将外部接口单元A、电路板B和模具C封装起来，封装尺寸与外部接口单元A对齐。

本实施例提供的制作方法首先制作出能够精确排列多根电极的模具，再根据多通道微电极阵列的硬件接口，设计并制作出电路板，并根据焊接要求实现电极的焊接，接着按照要求对多通道微电极进行尖端处理，最后对整个多通道微电极阵列进行绝缘处理和封装，进而得到一个精度高、密度高、信噪比较好的多通道微电极阵列。

以视觉神经电生理实验，记录细胞活动为例来说明本实施例的多通道微电极阵列具体使用过程。

选择一只5—7斤重的健康猫，视力良好，实验前一天停食停水，并完成实验前各项准备。本实验所用多通道神经微电极阵列，为2*8通道微电极阵列，间距为250um，电极丝采用的是美国A-M Systems生产的钨丝，直径为76.2um。

实验开始，实验所需物品备齐后，麻醉猫并给猫插上人工呼吸机的进气管和出气管，再插心电，打开心电检测。将猫放在实验平台上，并且插上耳棒，调整屏幕与猫的间距为57cm。清洗眼睛，佩带接触镜，扩瞳和收缩瞬膜，检眼睛，使其中央凹落于屏幕中间位置。在特定位置开颅（17区或18区）割脑膜，割脑膜的大小，应该比所用神经微电极尺寸稍大，使其刚好放入。将多通道微电极阵列放到定位仪夹持座上，调整多通道电极阵列的位置，夹持座连接气动冲击器，快速将多通道微电极阵列打入皮层内。

如图6所示，接信号放大器，加屏蔽罩，放大器与多通道信号采集系统相连，打开多道信号采集系统，调整屏蔽、接地等使信号基线尽可能小，排除外界干扰，将无信号或不需采集处理的信号通道全部关闭，以减小记录文件体积和信号处理速度。打开多通道信号处理程序和视觉刺激发生程序，准备开始正式实验记录。当某一通道微电极遇到对视觉刺激反应神经元时，神经元放电信号就会通过该多通道微电极阵列传导出来，被信号采集系统捕获，在屏幕上就会出现相应的放电波形，之后根据该神经元对不同视觉刺激特征的反应，就可以测出该神经元对不同视觉刺激的放电特性，如最优方位、最优空间频率等，为下一步实验特征分析研究，奠定基础。

可以看出本实施例的电极阵列可满足小动物神经电生理实验的要求，硬度高，可直接穿透小动物软脑膜，规则排列的电极丝可各自独立地、同时采集最小范围内的单个神经元的放电信号，且信噪比高。

本发明提供的多通道微电极阵列及其制作方法可以根据对多通道微电极阵列间距和通道数量的不同需要，相应地来变换其间距和通道数量；电路板的线路可以根据电极丝直径大小的变化，相应地调整，实现与电极丝的很好的连接，降低了制作多通道微电极阵列的工艺复杂度，进而降低了制作工艺的成本，并且提高了阵列的排列精度。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多通道微电极阵列，具体包括：外部接口单元、电路板、模具和电极丝，其中，

所述电极丝用于从受体部位获取电生理信号或传递电信号至受体部位；

所述模具内设置成若干个微米级通孔用于插入所述电极丝使得所述电极丝连接至所述电路板的线路上，所述电极丝的个数等于所述通孔的个数，并与通孔一一对应；

所述电路板与外部接口单元相连接，用于将电极丝从受体部位获取的电生理信号传送至外部接口单元或者将外部接口单元待传送给电极丝的电信号传送至电极丝。

2.根据权利要求1所述的多通道微电极阵列，其特征在于，还包括环氧胶，用于将外部接口单元、电路板和模具封装起来。

3.根据权利要求1或2所述的多通道微电极阵列，其特征在于，所述模具内通孔为单排或多排。

4.根据权利要求1或2或3所述的多通道微电极阵列，其特征在于，所述通孔的直径最小可满足100um的电极丝穿入，通孔之间的最小间距为250um。

5.根据权利要求1或2或3所述的多通道微电极阵列，其特征在于，所述电极丝具体包括：钨丝和不锈钢丝。

6.根据权利要求1所述的多通道微电极阵列，其特征在于，所述的通道具体为16通道，所述电极丝的直径小于150um，所述电路板为双层电路板，每层电路板设有上下两部分焊盘，其中，每层电路板的上端共有10个焊盘，下端共有8个焊盘；上端的10个焊盘中，两边的2个焊盘供接地使用，所述电路板的上端焊盘和下端焊盘都均匀分布在电路板上，其中下端每个焊盘和对应的电极丝一一相连，上端焊盘和外部接口单元相连，且下端每个焊盘的宽度大于上端焊盘的宽度。

7.根据权利要求1所述的多通道微电极阵列，其特征在于，所述电路板为双层电路板，焊盘均匀分布在电路板上，其中每层两边的两个焊盘供接地用，除去两边的两个焊盘外，其余焊盘的上端和外部接口单元相连，下端和直径大于150um的电极丝相连。

8.一种多通道微电极阵列的制作方法，具体为：

根据设计要求，确定多通道微电极阵列的通道数；根据确定的通道数制作设置有微米级通孔的模具，以及根据电极丝的直径制作电路板；

将电极丝穿进模具内的通孔中，并按要求控制电极丝穿插进去的长度，模具内的通孔的排列控制电极丝的排列间距；

将模具通孔内穿插出的电极丝与电路板上的线路一一焊接到一起，实现电路板与电极丝的有效连接；

将外部接口单元与电路板对应焊接到一起，实现二者的有效连接。

9.根据权利要求8所述的多通道微电极阵列的制作方法，其特征在于，还包括：利用环氧胶，将外部接口单元、电路板和模具封装起来，封装尺寸与外部接口单元对齐。

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